Намагничивающая катушка

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Сандомирский Сергей Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) Намагничивающая катушка в форме соленоида, намотанного на немагнитном каркасе проводом из электропроводящего материала, отличающаяся тем, что обмотка катушки помещена в кожух из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающий к наружной поверхности обмотки, причем толщина кожуха составляет 3-10 толщины обмотки.(56) 1.1 326 345, 1987. 2.1 430 123, 1988. 3.1 704 177, 1992 (прототип). 4. Сандомирский С.Г. Оптимизация геометрических размеров намагничивающей катушки средств магнитного контроля движущихся ферромагнитных изделий // Дефектоскопия. - 1989. -7. - С. 72-79. 5. Сандомирский С.Г. Рекомендации по применению в технических расчетах формул для центрального коэффициента размагничивания сплошных и полых цилиндров, стержней и пластин из материала с высокой магнитной проницаемостью (обзор) // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2008. -3. - С. 38-46. 59952010.02.28 Полезная модель относится к электротехнике, в частности к намагничивающим устройствам. Известна намагничивающая катушка 1, предназначенная для создания стационарного магнитного поля напряженностью 0 в цилиндрической полости диаметром 1, намотанная на немагнитном каркасе однородно по сечению проводом из электропроводящего материала. Величина 1 определяется поперечным размером изделий, для намагничивания которых предназначена катушка. Величина 0 определяется методикой намагничивания - необходимостью доведения изделий до магнитного состояния, близкого к техническому насыщению. Магнитное поле 0 создается катушкой при протекании по ее проводу постоянного стабилизированного тока плотностью . Катушка работает в условиях естественного охлаждения ее поверхности окружающим воздухом. Наружный диаметр 2, длинакатушки и плотностьтока в ней устанавливаются эмпирически так, чтобы было обеспечено достижение напряженности 0 намагничивающего поля. Недостаток известной намагничивающей катушки в чрезмерном весе либо в низкой долговечности, недостаточной напряженности намагничивающего поля при заданном весе катушки и в сильном влиянии на близко расположенные измерительные преобразователи. Указанные недостатки обусловлены тем, что эмпирически практически невозможно установить такие параметры 2,и , чтобы катушка имела минимально возможный вес и работала при температуре ТП максимально допустимого перегрева. В результате катушка либо имеет чрезмерный вес, что затрудняет ее использование по назначению, либо работает в условиях чрезмерного перегрева, что приводит к сокращению срока службы катушки (примерно вдвое на каждые 8 С перегрева). По этим причинам напряженность создаваемого катушкой намагничивающего поля 0 зачастую при ограниченном весе катушки оказывается меньше требуемого значения. В то же время в окружающем пространстве поле катушки уменьшается с расстоянием медленно. Это оказывает негативное влияние на измерительные преобразователи, расположенные вблизи катушки, затрудняет ее использование по назначению в измерительных системах. Известна намагничивающая катушка 2, предназначенная для создания стационарного магнитного поля напряженностью 0 в центре цилиндрической полости диаметром 1,намотанная на немагнитном каркасе однородно по сечению проводом из электропроводящего материала и снабженная второй обмоткой, охватывающей первую, сцентрированную с ней и встречно первой обмотке, включенной в цепь источника намагничивающего тока. При этом первая и вторая обмотки намагничивающей катушки имеют параметры,обеспечивающие равенство их магнитных моментов. Поэтому поле в пространстве, окружающем намагничивающую катушку, резко уменьшается и практически не оказывает влияния на измерительные преобразователи. Недостаток известной намагничивающей катушки в чрезмерном весе и недостаточной напряженности намагничивающего поля в рабочей области. Вторая обмотка намагничивающей катушки компенсирует поле первой обмотки не только в окружающем пространстве, но и в рабочей области. Снижение поля в центре катушки составляет 30 и более. Это снижает потребительские свойства намагничивающей катушки и предопределяет возможность ее использования в измерительных системах только для создания слабых локальных размагничивающих полей. Из известных наиболее близким по технической сущности является намагничивающая катушка 3, предназначенная для создания стационарного магнитного поля напряженностью 0 в центре цилиндрической полости диаметром 1, намотанная на немагнитном каркасе однородно по сечению проводом из электропроводящего материала. Наружный диаметр 2 и длинукатушки устанавливают по разработанной методике с учетом предельно допустимой средней температуры П перегрева катушки, условий теплоотдачи с ее поверхности, теплопроводности и толщины материала каркаса. Установленные размеры катушки обеспечивают для достижения заданной величины 0 в центре цилиндрической 2 59952010.02.28 полости диаметром 1 минимально возможный вес катушки и ее работу при ТП в условиях естественного охлаждения поверхности катушки окружающим воздухом. Недостаток известной намагничивающей катушки в недостаточной напряженности намагничивающего поля в рабочей области и сильном влиянии катушки на близко расположенные измерительные преобразователи. При заданной массе провода физически невозможно увеличить напряженность 0 намагничивающего поля без нарушения температурного режима работы катушки и даже существенное увеличение веса используемого провода приводит к незначительному увеличению 0. В 4 показано, например, что для увеличения 0 в области диаметром 6 см на 25(с 40 до 50 кА/м) при ТП 55 С необходимо увеличить вес намагничивающей катушки более чем в 2 раза (с 14,6 до 31,4 кг). Столь существенное увеличение веса катушки недопустимо снижает возможности ее использования. В окружающем пространстве поле катушки уменьшается с расстоянием медленно. Это оказывает негативное влияние на измерительные преобразователи, расположенные вблизи катушки, затрудняет ее использование по назначению в измерительных системах. Задачей полезной модели является повышение напряженности намагничивающего поля в рабочей области намагничивающей катушки и его снижение в окружающем катушку пространстве без увеличения средней температуры перегрева катушки, ее веса и размеров. Решение поставленной задачи обеспечит повышение потребительских свойств катушки. Задача решена в намагничивающей катушке в форме соленоида, намотанного на немагнитном каркасе проводом из электропроводящего материала, отличающейся тем, что обмотка катушки помещена в кожух из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающий к наружной поверхности обмотки, причем толщина кожуха составляет 3-10 толщины обмотки. Снабжение намагничивающей катушки кожухом из магнитомягкого ферромагнитного материала, его расположение и устанавливаемая в соответствии с техническим решением толщина обеспечивают максимально возможное увеличение намагничивающего поля в рабочей области катушки практически без увеличения ее размеров и снижения долговечности. Одновременно обеспечивается снижение напряженности поля катушки в окружающем ее пространстве. Предложенная полезная модель поясняется чертежом, на котором изображено продольное сечение намагничивающей катушки. Намагничивающая катушка содержит немагнитный каркас 1, обмотку 2 внутренним диаметром 1, наружным диаметром 2 и длиной , намотанную на каркасе 1 проводом из электропроводящего материала, кожух 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала, прилегающий к наружной поверхности обмотки 2, толщина которогосоставляет 310 толщины (21) обмотки 2. Работает намагничивающая катушка следующим образом. Внутренний диаметр 1 обмотки 2 определяется поперечным размером изделий, для намагничивания которых предназначена катушка, и толщиной немагнитного каркаса 1. Наружный диаметр 2 и длинуобмотки 2 устанавливают с учетом предельно допустимой средней температуры ТП перегрева катушки и ее допустимого веса. Исходя из этих же условий устанавливают предельно допустимую плотностьтока в проводе обмотки 2. Установленные размеры 2 иобмотки 2 намагничивающей катушки и плотностьтока в ее проводе обеспечивают достижение максимально возможной напряженности 0 поля в центре цилиндрической полости диаметром 1 при заданном весе обмотки 2 намагничивающей катушки при ее работе в условиях естественного охлаждения поверхности катушки окружающим воздухом при допустимой ТП. Одновременно внешнее поле обмотки 2 намагничивает кожух 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала, представляющий во внешнем поле обмотки 2 полузамкнутую магнитную цепь. Направление магнитного поля кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала во внутренней рабочей области намагничивающей катушки совпадает с направлением намагничивающего поля Н 0 3 59952010.02.28 обмотки 2 и усиливает его. В пространстве, окружающем намагничивающую катушку,магнитное поле кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала противоположно направлению поля обмотки 2 и частично компенсирует его. Благодаря плотному прилеганию кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала к наружной поверхности обмотки 2 и высокой теплопроводности магнитомягкого ферромагнитного материала (например, электротехнической стали) условия отвода тепла от обмотки 2 практически не изменяются и средняя температура перегрева намагничивающей катушки при использовании кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала не повышается. Плотное прилегание кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала к наружной поверхности обмотки 2 обеспечивает максимально возможное усиление намагничивающего поля в рабочей области внутри намагничивающей катушки и максимально возможное ослабление поля катушки за ее пределами. Необходимым условием работы намагничивающей катушки в соответствии с техническим решением является выполнение требования, чтобы магнитомягкий ферромагнитный материал кожуха 3 при работе катушки не находился в состоянии магнитного насыщения. Выполнение этого требования обеспечивается соблюдением условия выполнения кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала толщиной , составляющей 3-10 толщины (21) обмотки 2. Определение необходимой толщиныкожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала в конкретных вариантах выполнения намагничивающей катушки может осуществляться экспериментально либо расчетным путем. Определяют внешнее поле В обмотки 2 в середине ее наружной боковой поверхности при плотноститока в проводе катушки, обеспечивающей поле 0 в центре катушки (для реальных намагничивающих катушек величина В составляет 10-25 от 0). По определенному значению В и намагниченности насыщениямагнитомягкого ферромагнитного материала кожуха 3 (для электротехнической стали 1700 кА/м) определяют необходимую величину центрального коэффициентаразмагничивания кожуха 3 из магнитомягкого ферромагнитного материала В(1) 0,9 где В - внешнее поле В обмотки 2 в середине ее наружной боковой поверхности при плотноститока в проводе катушки, обеспечивающей поле 0 в центре катушки- намагниченности насыщения магнитомягкого ферромагнитного материала кожуха 3. По значениюрассчитывают необходимую толщинукожуха 3 59952010.02.28 Формула (2) получена на основе рекомендаций 5 по расчету центрального коэффициента размагничивания полых цилиндров из материала с высокой магнитной проницаемостью. При рассчитанной по формуле (2) толщинекожуха 3 его материал при работе катушки в штатном режиме не находится в состоянии магнитного насыщения. Для реальных намагничивающих катушек и магнитомягких материалов кожуха 3 величинасоставляет 3-10 от толщины (21) обмотки 2. Уменьшениениже определенной по формуле (2) величины приведет к насыщению магнитомягкого материала кожуха 3 при работе намагничивающей катушки в штатном режиме, что вызовет уменьшение намагничивающего поля в ее рабочей области и снизит степень компенсации поля катушки в окружающем ее пространстве. Увеличениесверх определенной по формуле (2) величины не приведет к дополнительному увеличению намагничивающего поля в рабочей области намагничивающей катушки и не повысит степень компенсации поля катушки в окружающем ее пространстве, но неоправданно увеличит вес намагничивающей катушки. Преимущества намагничивающей катушки по техническому решению по сравнению с известным проиллюстрируем на примере намагничивающей катушки, имеющей следующие параметры обмотки 2 148 мм, 2160 мм,80 мм, намотанной проводом ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм с коэффициентом заполнения 0,815 на немагнитном дюралюминиевом каркасе толщиной 5 мм. При токе в проводе 3 А (1,7 А/мм 2) ТП катушки составляет около 85 С, а напряженность поля в ее центре 048,5 кА/м. Результаты измерения позволили получить для поля В обмотки 2 в середине ее наружной боковой поверхности значение НВ 0,1808,7 кА/м. Для центрального коэффициентаразмагничивания и необходимой толщиныкожуха 3 из электротехнического железа получим по формулам (1) и (2)0,00572,5 мм (для данного примера реализации намагничивающей катушки необходимая величинасоставила 4,5 от толщины (21) обмотки 2). Результаты измерения показали, что при использовании кожуха 3 из 5 слоев листового электротехнического железа толщиной 0,5 мм увеличение напряженности 0 намагничивающего поля в центре намагничивающей катушки составило 22 . Во всем диапазоне изменения намагничивающего тока от 0 до 3 А наблюдалось линейное изменение поля 0. При этом общий вес намагничивающей катушки, исключая вес алюминиевого каркаса, увеличился всего на 15(при соответствующем увеличении напряженности 0 намагничивающего поля катушки путем увеличения количества используемого провода вес катушки увеличился бы более чем в 2 раза). Кроме того, при использовании кожуха 3 в соответствии с техническим решением произошло ослабление поля катушки в окружающем ее пространстве. Например, в точке, расположенной на внешней боковой поверхности катушки, - в 15 раз, а в точке, расположенной на оси катушки на расстоянии 10 см от ее торца, - в 2 раза. Это снижает влияние поля катушки на измерительные преобразователи, располагаемые вблизи нее. Таким образом, полезная модель обеспечивает существенное повышение напряженности намагничивающего поля в рабочей области намагничивающей катушки и его снижение в окружающем катушку пространстве без увеличения средней температуры перегрева катушки и незначительном увеличении ее веса. Благодаря этому обеспечивается повышение потребительских свойств катушки - намагничивание движущихся сквозь нее изделий в поле большей напряженности без увеличения потребляемой мощности, веса и размеров катушки, а ее влияние на расположенные снаружи катушки измерительные преобразователи уменьшено. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.